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Anordnung zum Nachweis von Durchzündungszuständen in dem Quecksilberdampf-Entladungsgefäß
einer Stromrichteranlage Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Nachweis von
Durchzündungszuständen in den Ouecksilberdampf-Entladungsgefäßen von Stromrichteranlagen.
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Unter Durchzündung versteht man bekanntlich bei Entladungsgefäßen
von Stromrichteranlagen einen Zustand, bei welchem die Sperrwirkung der Entladungsröhre
versagt, derart, daß auch während der Sperrperiode des Entladungsgefäßes ein Strom
in Durchlaßrichtung fließt; bei gittergesteuerten Röhren bedeutet dies einen Zustand,
wo bei Anliegen einer negativen Gittersteuerspannung das Entladungsgefäß leitend
bleibt (von den Vorgängen während der verhältnismäßig kurzen Kommutationszeit kann
hierbei abgesehen werden); diese Definition trifft insbesondere auf sogenannte »Breitimpuls«-Systeme
zu, bei denen der Gitterimpuls in seiner zeitlichen Erstreckung mit der nominellen
Leitfähigkeitsperiode der Röhre unter Außerachtlassung der Kommutations- bzw. Umschaltzeit
zusammenfällt.
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Anordnungen zum Nachweis von Störzuständen allgemeiner Art (Fehlzündungen,
Durchzündungen, Rückzündungen) an Entladungsgefäßen von Stromrichteranlagen sind
an sich bekannt. Die bekannten Anordnungen gehen von der Verwendung jeweils nur
einer Meßgröße (Anodenspannung bzw. -strom oder Gitterspannung bzw. -strom) für
die Überwachung des Entladungsgefäßes auf die betreifenden Störzustände aus. Die
Erfindung bezweckt eine Vervollkommnung der Störüberwachung für den besonderen Fall
der Durchzündung.
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Zu diesem Zweck kennzeichnet sich eine Anordnung der genannten Art
gemäß der Erfindung durch eine erste Schaltung, welcher als Eingangsgröße ein aus
dem Gitterkreis des Entladungsgefäßes abgeleitetes Signal zugeführt wird und die
ein Ausgangssignal während derjenigen Perioden .erzeugt, in denen kein positiver
Steuerimpuls am Gitter des Entladungsgefäßes anliegt, durch eine zweite Schaltung,
der als Eingangsgröße ein Signal zugeführt wird, das ein Maß für den im Kathodenkreis
des Entladungsgefäßes fließenden Strom darstellt und welche ein Ausgangssignal erzeugt,
wenn dieser Strom einen kleinen Bruchteil des im leitenden Zustand des Entladungsgefäßes
normalerweise fließenden Stroms übersteigt, durch eine auf die Ausgangssignale der
ersten und der zweiten Schaltung ansprechende UND-Schaltung, die ein Ausgangssignal
bei gleichzeitigem Auftreten dieser Ausgangssignale erzeugt, sowie durch eine Relaisvorrichtung,
die in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der UND-Schaltung eine Anzeige- bzw. Sicherheitsvorrichtung
auslöst. Indem in der vorstehend bezeichneten Weise der Überwachungsanordnung sowohl
eine dem Gitterkreis als auch eine dem Kathodenkreis des Entladungsgefäßes entnommene
Größe zugeführt wird, wird eine völlig eindeutige, unfehlbare und zuverlässige Störüberwachung
und gegebenenfalls -anzeige erzielt.
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Die schaltungsmäßige Verwirklichung der überwachungsanordnung gemäß
der Erfindung kann in verschiedener Weise erfolgen. Nach bevorzugten Ausführungsformen
ist vorgesehen, daß die erste Schaltung einen Begrenzerverstärker, dem als Eingangsignal
eine zwischen Kathode und einem im Gitterstromkreis liegenden Strombegrenzerwiderstand
abgegriffene Spannung zugeführt wird und der während Zeitperioden, in denen ein
Gitterimpuls anliegt und in der zeitlichen Erstreckung mit diesem Gitterimpuls zusammenfallendem
Ausgangssignal erzeugt, eine Dehnstufe, welche eine Dehnung des Ausgangssignals
des Begrenzerverstärkers um eine kurze Zeitperiode bewirkt, sowie eine Inversinons-
bzw. NEIN-Schaltung aufweist, welche die Polarität des Ausgangssignals der Dehnstufe
umkehrt.
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Entsprechend kann nach einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein,
daß auch die zweite Schaltung einen Begrenzerverstärker aufweist, dem
als
Eingangsgröße der Spannungsabfall an einem in der Kathodenleitung des Entladungsgefäßes
liegenden Widerstand zugeführt wird.
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Unter Begrenzerverstärker ist eine an sich bekannte Verstärkerschaltung
zu verstehen, die bei Auftreten des (verhältnismäßig großen) Eingangssignals in
den Sättigungszustand durchgesteuert wird, derart, daß sich als Ausgangsgröße im
wesentlichen ein Rechteckimpuls ergibt, dessen Flanken mit den Nulldurchgängen der
Eingangsspannung zusammenfallen; beispielsweise kann ein derartiger Begrenzerverstärker
durch einen p-n-p-Transistor in Emitterschaltung mit negativ vorgespanntem Kollektor
gebildet werden, bei dem die Basiselektrode über eine Gleichrichterdiode mit dem
Emitter verbunden ist.
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Eine »UND-Schaltung« ist eine binär arbeitende, auch unter der Bezeichnung
Koinzidenzschaltung bekannte logische Schaltung mit zwei oder mehreren elektrischen
Eingängen und einem Ausgang, wobei Eingangs- und Ausgangsgrößen jeweils nur zwei
verschiedene Werte (»EIN« bzw. »AUS«) annehmen können und die Ausgangsgröße den
Zustand »EIN« nur annimmt, wenn gleichzeitig beide Eingänge sich im »EIN«-Zustand
befinden, d. h. mit anderen Worten, ein Ausgangssignal nur bei gleichzeitigem Auftreten
beider Eingangssignale auftritt; ein beispielsweise aus der Technik der Digital-Rechenanlagen
bekanntes einfaches Beispiel einer derartigen UND-Schaltung ist eine Diode.
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Unter einer Dehnstufe wird hier eine an sich bekannte Schaltung verstanden,
die nach dem Binärsystem arbeitet, also im wesentlichen zwei stabile Zustände besitzt,
wobei einer im »EIN«-Zustand befindlichen Eingangsgröße einer beliebigen Zeitdauer
Ti eine im »EIN«-Zustand befindliche, im gleichen Zeitpunkt beginnende Ausgangsgröße
der Zeitdauer Tl+T2 entspricht, wobei T., eine Konstante darstellt. Beispielsweise
kann eine derartige Dehnstufe durch eine Transistorstufe verwirklicht werden, welche
einen p-n-p-Transistor in Emitterschaltung mit negativ vorgespanntem Kollektor aufweist,
wobei zwischen Emitter und Masse ein Kondensator liegt; die Eingangsgröße wird der
Basis zugeführt, die Ausgangsgröße am Emitter abgenommen.
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Unter Inversions- bzw. Negatorschaltung wird eine an sich bekannte
logische NEIN-Schaltung verstanden, d. h. also eine Binärschaltung mit zwei stabilen
Zuständen, wobei einer im EIN-Zustand befindlichen Eingangsgröße eine im »AUS«-Zustand
befindliche Ausgangsgröße entspricht und umgekehrt. Eine derartige Inversions- bzw.
NEIN-Schaltung wird beispielsweise durch eine Transistorstufe gebildet, welchen
einen p-n-p-Transistor in Emitterschaltung aufweist, dessen Basis mit der Verbindungsstelle
zweier einen Spannungsteiler bildenden Widerstände verbunden ist. Das Eingangssignal
wird dem einen Ende dieses Spannungsteilers zugeführt, während das andere Ende mit
einer positiven Spannungsquelle verbunden ist; das Ausgangssignal wird am Kollektor
abgenommen.
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Die Anordnung gemäß der Erfindung zum Nachweis von Durchführungszuständen
kann vorteilhaft mit einer Anordnung zum Nachweis von Fehlzündungs- bzw. Zündversagerzuständen
kombiniert werden; in diesem Fall ergibt sich der Vorteil, daß das Ausgangssignal
des vom Gitterkreis gesteuerten Begrenzerverstärkers der ersten Schaltung gleichzeitig
der Anordnung zum Nachweis von Fehlzündungs- bzw. Zündversagerzuständen zugeführt
werden kann, wodurch ein Begrenzerverstärker und die Schaltvorrichtung zur Ableitung
des Eingangssignal aus dem Gitterkreis eingespart werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Quecksilberdampf-Stromrichteranlage
ist in der Zeichnung dargestellt; in dieser zeigt F i g. 1 ein schematisches Blockschaltbild
der Vorrichtung, F i g. 2 ein zugehöriges detailliertes Schaltbild dieser Vorrichtung.
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In F i g. 1 ist eine Röhre V einer Quecksilberdampf-Gleichrichtanlage
schematisch durch einen Röhrenkolben 10 angedeutet, welcher eine Anode
11,
eine in Form eines Quecksilbernapfes ausgebildete Kathode 12 sowie
eine Reihe von Gittern mit einem Steuerzündgitter 13 und Spannungsabstufungsgitter
14 aufweist. Der Anoden-Kathoden-Kreis der Röhre ist in geeigneter, in der
Zeichnung nicht dargestellter Weise geschaltet, weist jedoch einen Reihenwiderstand
15 auf, an dem zur Gewinnung einer Anzeige des Kathodenstromes ein Signal gebildet
wird, das ein Maß für die an dem Widerstand abfallende Spannung darstellt. Die Röhre
wird durch ein Gitterimpulssignal gesteuert, das dem Gitter-Kathoden-Kreis über
einen Transformator 16 zugeführt wird. Die Sekundärwicklung dieses Transformators
16 ist durch eine geeignete Spannungsquelle 17 vorgespannt und führt
über einen Widerstand 18 dem Gitter 13
das Steuergittersignal für die
Röhre V zu. Die Leitungen 19 liefern ein Maß für die Gitter-Kathodenspannung
der Röhre, wenn durch den Widerstand 18
kein Strom fließt.
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Das den Spannungsabfall an dem Widerstand 15
darstellende Signal
wird einem Begrenzerverstärker 20 zugeführt, der ein Ausgangssignal von einer
bestimmten, fest vorgegebenen Amplitude erzeugt, wenn ein ausreichender Kathodenstrom
durch die Röhre V fließt. Das an den Leitungen 19 auftretende Signal, welches
das Vorhandensein des Gitterimpulses wiedergibt, wird einem Begrenzerverstärker
21 zugeführt, der ebenfalls ein Signal vorgegebener Amplitude während Zeitperioden,
in denen ein Gitterimpuls vorliegt, erzeugt. Das Ausgangssignal des Begrenzerverstärkers
21 hat die Form von in ihrer zeitlichen Erstreckung mit dem Gitterimpuls
zusammenfallenden Impulsen und wird einer Impulsdehnvorrichtung 22 zugeführt,
welche eine Dehnung der zeitlichen Dauer dieser Impulse um eine kurze Zeitperiode
(beispielsweise von 60°, bezogen auf die Gitterimpulsfrequenz) bewirkt; die gedehnten
Impulse werden als Ausgangsgröße der Vorrichtung 22
sodann durch einen Wechselrichter23
wechselgerichtet, um ein Ausgangssignal zu erhalten, das zum Vergleich mit dem von
dem Begrenzerverstärker 20 gelieferten Signal geeignet ist. Gleichzeitiges
Auftreten einer Ausgangsgröße der Vorrichtung23 und des Begrenzerverstärkers20 wird
mit einer UND-Nachweisvorrichtung 24 nachgewiesen, welche die Anzeige des
Durchzündungszustandes liefert. In dem Blockschaltbild der F i g. 1 ist auch eine
Anzeige von Fehlzündungszuständen vorgesehen. Zwischen der Anode 11
und der
Kathode 12 liegt ein Spannungsteiler 25 mit mehreren Abzapfungen,
die in der gezeigten Weise mit den Gittern 14 verbunden sind. Diese Potentiometer-Gitter-Anordnung
dient zur Steuerung des Spannungsgradienten in der Röhre V, bevor diese durch Zufuhr
eines Gitterimpulses über den Transformator
16 zur Stromleitung
veranlaßt wird. Im Zustand der Fehlzündung zieht der Spannungsteiler 25 keinen Strom
über die Gitter 14, und ein über die Ausgangsleitungen 26 an einer geeigneten Anzapfung
entlang des Spannungsteilers 25 abgenommenes Signal liefert ein Maß der Anoden-Kathoden-Spannung
der Röhre V. Übersteigt die Amplitude dieses über die Leitungen 26 zugeführten Signals
einen vorgegebenen Pegel, wenn über den Transformator 16 ein Gitterimpuls anliegt,
so muß ein Fehlzündungszustand angezeigt werden. Zu diesem Zweck wird gemäß F i
g. 1 das an den Leitungen 26 auftretende Signal einem Begrenzerverstärker 27, das
an den Leitungen 19 auftretende Signal einem Begrenzerverstärker 28 zugeführt, wobei
die in dieser Weise gebildeten Signale in einem UND-Detektor 29 verglichen werden,
der bei gleichzeitigem Auftreten dieser Signale die erforderliche Anzeige liefert.
Um Fehlanzeigen infolge der normalen Zündverzögerung der Röhre, insbesondere bei
Einschaltung der Röhre im anfänglichen kalten Zustand, zu vermeiden, erfolgt die
von dem Detektor 29 bewirkte UND-Anzeige über ein Zeitrelais mit fester Verzögerung
30, das nur dann unter Anzeige eines Fehlzündungszustandes betätigt wird, wenn die
Ausgangsgröße des UND-Detektors 29 während einer vorgegebenen festen Zeitdauer,
beispielsweise von 200 Mikrosekunden bei einer üblichen 50-Hz-Anlage, anhält.
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Wie aus dem in F i g. 2 dargestellten detaillierten Schaltbild ersichtlich
ist, können für die Funktionen der Begrenzerverstärker 21 und 28 nach dem Blockschaltbild
der F i g. 1 gemeinsame Schaltungsteile verwendet werden. Bei der in F i g. 2 verwendeten
Schaltung finden Transistoren von p-n-p-Typ. Anwendung. Der mit 21128 bezeichnete
Begrenzerverstärker weist in der gezeigten Form einen Transistor 31 in Emitter-Basis-Schaltung
auf. Zwischen Basis und Emitter des Transistors liegt eine Diode 32. Diese Diode
32 bewirkt eine Begrenzung des positiven Anstieges des Basispotentials. Das Eingangssignal
wird dem Begrenzer21128 über eine Spannungsteilerschaltung aus Widerständen 33 und
34 zugeführt. Von der Verbindungsstelle zwischen den beiden Widerständen wird der
Basis des Transistors 31 ein Signal zugeführt, während das andere Ende des Widerstandes
34 mit dem negativen Pol einer Vorspannungsquelle - V1 verbunden ist. Das Ausgangssignal
des Begrenzerverstärkers 21128 wird am Kollektor des Transistors 31 abgenommen,
der ferner über einen Widerstand 35 mit derselben negativen Spannungsquelle - V1
verbunden ist.
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Die Wirkungsweise ist derart, daß das Eingangssignal des Begrenzerverstärkers
21128 normalerweise negativ ist und dementsprechend die Basis des Transistors 31
negativ gehalten wird, so daß die Kollektor-Emitter-Strecke in ihrem leitfähigen
Zustand ist und die Ausgangsgröße des Begrenzers einen Wert von nahezu Null besitzt.
Bei Zufuhr des die Zündung der Röhre V steuernden positiven Gitterimpulses über
den Transformator 16 kann je nach dem Verhältnis der Widerstandswerte der Widerstände
33, 34 und der Vorspannungspotentiale der Schaltung die Basis des Transistors 31
ein positives Potential annehmen, dessen Größe durch die Wirkung der Diode 32 begrenzt
ist, jedoch zur Sperrung des Transistors ausreicht. In diesem Zustand sinkt das
Ausgangssignal des Begrenzers 21128 auf den niedrigen negativen Wert - V1. Liegt
daher an der Röhre V der Gitter-Impuls an, so liefert der Begrenzer 21/28 einen
stark negativen Ausgangsimpuls.
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Der Begrenzerverstärker 27 besteht aus Schaltungsteilen ähnlicher
Art wie .der Begrenzer 21/28 und liefert in entsprechender Weise ein Ausgangssignal,
dessen Größe normalerweise nahezu Null ist, jedoch auf den Wert - V1 absinkt, sobald
der Röhrenschaltung das überspannungs-Eingangs-Steuersignal zugeführt wird. Der
UND-Detektor 29 besteht lediglich aus der Diode 36, sobald das Ausgangssignal des
Begrenzerverstärkers 27 entsprechend der vorstehend beschriebenen Wirkungsweise
stark negativ zu werden sucht, wird dies durch die Diode 36 verhindert, falls der
Transistor 31 sich in seinem leitfähigen Zustand befindet. Die Diode 36 wird jedoch
unwirksam, wenn die Ausgangsgröße des Begrenzers 21/28 ebenfalls stark negativ ist.
Das dem Relais 30 zugeführte Ausgangssignal ist daher nur. dann stark negativ, wenn
den Begrenzern 21128 und 27 die geeignete Kombination überpositiver Eingangsgrößen
gleichseitig zugeführt wird.
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Das Relais30 weist einen Transistor37 in Emitterbasisschaltung auf,
dessen Basis mit der Verbindungsstelle der beiden Widerstände 38 und 39, die einen
Spannungsteiler bilden, verbunden ist. Das Eingangssignal wird dem einen Ende dieses
Spannungsteilers zugeführt; das andere Ende des Spannungsteilers ist mit der positiven
Klemme einer Vorspannungsquelle + V2 verbunden. Der Wert von V2 wird so eingestellt,
daß bei Zufuhr des stark negativen Signals als , Eingangsgröße die Kollektor-Emitter-Strecke
des Transistors leitend wird und am Kollektor des Transistors 37 das Ausgangssignal
des Gesamtsystems auftritt. Durch die Wirkung eines zwischen dem Eingang dieses
Relais und dem Emitter des Transistors 37 liegenden Kondensators 40 wird eine Zeitverzögerung
in dieses Relais eingeführt. Der Kondensator 40 bewirkt, daß- der Aufbau des stark
negativen Eingangssignals sich verlangsamt, derart, das ein Signal, dessen Dauer
.unterhalb eines vorgegebenen Wertes bleibt, keine Betätigung des Relais herbeiführt.
Die Abgabe eines »Fehlzündungs«-Signals stellt sich in der in. der Zeichnung gezeigten
Schaltung als Betätigung des Relais, d. h. als Einschaltung des Transistors 37,
dar.
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Der Begrenzerverstärker 20 besteht ebenfalls aus Bauteilen ähnlicher
Art wie die Begrenzer 21/28 und 27 und wirkt gleichfalls in der Weise, daß
er ein Ausgangssignal liefert, dessen Größe bei Kathodenstrom Null einen Wert von
etwa Null besitzt, jedoch auf einen stark negativen Wort .absinkt, sobald der Kathodenstrom
den Normalwert um einen kleinen Bruchteil von beispielsweise 5 % übersteigt. Das
Ausgangssignal des Begrenzers 20 -wird einem UND-Detektor 24 zugeführt, der
einen Transistor 41 in Emitterbasisschaltung aufweist, dessen Basis mit der
Verbindungsstelle zweier einen Spannungsteiler bildender Widerstände 42 und
43 verbunden ist. Das Eingangssignal wird dem einen Ende dieses Spannungsteilers
zugeführt, dessen anderes Ende mit einer positiven Spannungsquelle -I- V2 verbunden
ist. Der Wert von V2 ist so gewählt, daß bei Zuführung des stark negativen Signals
als Eingangsgröße die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 41 leitend wird;
dieser Zustand kann zur Bildung eines »Durchzündungs«-Anzeigesignals im Kollektorkreis
des Transisttors dienen. Diese Wirkungsweise hängt jedoch von der Wirkung der Vorrichtung
22123 ab,
welche die Funktionen der Vorrichtungen 22 und
23 aus F i g. 1 erfüllt und durch das Ausgangssignal des Begrenzers 21128 gesteuert
wird. Die Vorrichtung 22/23 weist eine Transistorstufe, welche die Impulsdehnung
bewirkt, sowie eine zweite Transistorstufe, welche die Wechselrichtung bewirkt,
auf. Die Impulsdehnung erfolgt durch den Transistor 44, zwischen dessen Emitter
und Erde ein Kondensator 45 liegt. Der Kollektor des Transistors ist über einen
Widerstand 46 mit einer Spannungsquelle - Vr verbunden. Die Eingangsgröße für die
Vorrichtung 22/23 wird der Basis des Transistors 44 zugeführt, die Ausgangsgröße
am Emitter des Transistors abgenommen. Die Schaltung wirkt in der Weise, daß beim
Anlegen negativer Impulse an die Basis des Transistors der Kondensator 45 zu einer
negativen Aufladung veranlaßt wird, was zur Abgabe eines negativen Ausgangssignals
für die Dauer des Eingangsimpulses und eine kurze darauffolgende Periode führt.
Die Wechselrichterstufe der Vorrichtung weist einen Transistor 47 in Emitterbasisschaltung
auf, dessen Basis mit der Verbindungsstelle zweier einen Spannungsteiler bildender
Widerstände 48 und 49 verbunden ist. Das Ausgangssignal vom Emitter des Transistors
44 wird dem einen Ende dieses Spannungsteiles zugeführt, dessen anderes Ende mit
einer positiven Spannungsquelle 4- V, verbunden ist. Bei Fehlen einer negativen
Aufladung des Kondensators 45 ist das Basispotential des Tranisstors 47 positiv,
und der Transistor 47 verhindert somit nicht, daß vom Begrenzer 20 zugeführte,
stark negative Ausgangssignale den UND-Detektor 24 erreichen. Ist jedoch der Kondensator
45 negativ aufgeladen und ist diese negative Aufladung hinreichend stark, daß die
Basis des Transistors 47 ein negatives Signal erhält, so wird der Transistor leitend,
was verhindert, daß der Kollektor sich auf einem stark negativen Potential befindet.
Da ,der Kollektor 47 mit dem Eingang des UND-Detektors 24 verbunden ist,
wirken die Vorrichtung 22/23 und der Begrenzer 20 hinsichtlich der UND-Überwachung
durch die Vorrichtung 24 zusammen.
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Falls erforderlich, können besondere Vorrichtungen, wie beispielsweise
ein elektromagnetischer Zähler oder eine bistabile Schaltung, welche von Hand rückgestellt
werden muß, vorgesehen werden, um die Anzeige von Fehlzündungs- bzw. Durchzündungszuständen
aufzubewahren, falls diese Anzeigen intermittierend auftreten.